液压支架试验台远程多缸同步控制系统设计.pdf
第 4 4卷 第 2期 2 0 1 8年 2月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 . 4 4 NO . 2 Fe b .2 0 1 8 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 2 0 0 2 8 0 4 D OI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 7 0 9 0 0 5 4 液压文架试验台远程多缸同步控制系统设计 沙宝银 。 1 . 煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院 , 北京 1 0 0 0 1 3 ; 2 . 煤炭资 源高效 开采 与环境 保护 国家 重点实 验室 , 北 京 1 0 0 0 1 3 摘 要 为解 决 3 O 0 0 0 k N液 压 支架试验 台活动 平 台及垂 直外加 载平 台远程 四缸 同步控 制技术 难题 , 设计 了基 于 P XI 平 台和 L a b VI E W R T 的液 压 支架试验 台远程 多缸 同步控 制 系统 。采 用 高频 电液 比例 方 向 阀作 为调 高油缸 液压 系统 的执 行 元件 , 高精度位 移传 感 器作 为实时 闭环 系统的反馈 元件 , 通过 在嵌入 式 实时控 制 器中运行模糊 P I D控制算法, 实时调整 比例方向阀开 口度, 从而实现调高油缸 的同步。实际应用表 明, 在液 压 支架试验 台 活 动 平 台调 高 过 程 中 , 该 系统 的 四缸 最 大 同 步 误 差 为 0 . 9 1 mm, 四 缸 最 小 同步 误 差 为 0. 6 3 mm 。 关 键词 煤炭 开采 ;液压 支架试验 台;液压 支架远 程控 制 ;多缸 同步控 制 ;重 载荷 ;长行 程 ;电液 比例 方 向阀 ;PXI平 台 ;La b VI EW ;模 糊 P I D控 制 中 图分 类号 T D3 5 文献 标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 8 0 1 1 7 1 1 3 3 网络 出版地址 h t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . TP . 2 0 1 8 0 1 1 6 . 1 5 2 1 . 0 0 1 . h t m1 De s i g n o f r e mo t e mu l t i - c y l i n d e r s y nc h r o n o us c o n t r o l s y s t e m o f h y dr a u l i c s u p p o r t t e s t b e n c h SH A Ba o y i n , 1 . B r a n c h,Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ,C h i n a ;2 . Na t i o n a l Ke y La b o r a t o r y o f Co a l Re s o u r c e s Hi g h Ef f i c i e n t Mi n i n g a n d En v i r o n me n t a l P r o t e c t i o n,Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ,Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e pr o bl e m o f r e m o t e f ou r c y l i nd e r s y nc hr o no u s c on t r o 1 o f a c t i ve pl a t f o r m a nd ve r t i c a l e x t e r n a l l o a d i ng pl a t f o r m o f 3 0 0 0 0 k N h yd r a u l i c s up po r t t e s t b e n c h, a r e m o t e m u l t i c y l i nd e r s y nc hr o no us c o nt r ol s y s t e m of h yd r a ul i c s u pp o r t t e s t be nc h b a s e d o n PXI pl a t f o r m a n d La bVI EW RT wa s de s i g ne d.H i g h f r e q ue nc y e l e c t r o hyd r a u l i c p r o po r t i o na l di r e c t i on a l v a l v e i s a do p t e d a s a c t ua t i n g e l e me nt o f hy dr a u l i c s ys t e m o f hi g h l i f t c y l i n de r,a nd h i gh p r e c i s i on di s p l a c e m e nt s e ns o r i s u s e d a s f e e d ba c k e l e me n t of r e a l t i m e c l o s e d l oo p s ys t e m .Sy nc hr o ni z a t i o n of t h e hi g h l i f t c yl i nd e r i s a c h i e v e d by r u nn i ng f u z z y PI D c o n t r o l a l g o r i t h m i n e mb e d d e d r e a l t i me c o n t r o l l e r a n d r e a l t i me a d j u s t me n t o f o p e n i n g o f t h e p r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n a l v a l v e .Th e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e ma x i mu m f o u r c y l i n d e r s y n c h r o n i z a t i o n e r r o r o f t he s y s t e m i s 0. 91 mm a n d t h e mi n i m u m e r r o r i s 0. 6 3 mm d ur i n g t he l i f t i ng pr o c e s s o f m o v a bl e pl a t f o r m o f t he hy d r a ul i c s up po r t t e s t be nc h. Ke y wo r d s c oa l mi ni ng;hy dr a u l i c s u pp o r t t e s t be n c h;r e mo t e c o nt r o l of hy d r a ul i c s up po r t;mul t i c yl i nd e r s y nc h r on ou s c on t r o l ;he a vy l oa d; l o n g s t r o ke;e l e c t r o h yd r a ul i c p r o po r t i o n a l d i r e c t i o na l v a l v e; 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 9 2 0 ; 修回 日期 2 0 1 7 1 2 2 6 ; 责任编辑 胡娴。 基金项 目 国家科研院所研究开发专项项 目 2 0 1 0 E G1 2 2 1 8 4 ; 北京 市科技计划项 目 Z 1 0 1 1 1 O 4 o 5 4 5 1 0 O O 2 ; 矿 山支护设备安全 准人分析验证实 验室建设项 目 发改委投资[ 2 o 1 4 ] 7 4 4 0 9 。 作者简介 沙宝银 1 9 7 9 一 , 男 , 辽 宁葫 芦 岛人 , 副研 究员 , 硕 士 , 主 要研 究方 向为煤 矿支 护设 备 检测 检 验技 术 及检 测 设 备开 发 , E - ma i l 1 3 4 2 6 0 1 5 6 9 8 1 6 3 . c o rn。 引用格式 沙宝银. 液压支架试验 台远程多缸同步控制系统设计[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 8 , 4 4 2 2 8 3 l _ S HA B a o y i n .D e s i g n o f r e mo t e mu l t i c y l i n d e r s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c s u p p o r t t e s t b e n c h [ J ] . I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n, 2 0 1 8, 4 4 2 2 8 3 1 . 2 0 1 8年 第 2期 沙 宝银 液 压 支架试 验 台远程 多缸 同步控 制 系统设 计 2 9 PXI p l a t f o r m ;La bVI EW ;f u z z y PI D c o n t r ol 0 引言 工作面支护是煤矿安全高效综采 的首要条件 , 液压支架是综采系统的核心r 1 ] 。液压支架质量直接 影 响着 综采 工 作 面顶 板 支 护 强 度 、 生 产 效 率 和 可靠 性 。我国对煤 矿井下产 品实施 强制性 安全准人管 理 , 液压支架必须严格按照相关标准要求进行试验 , 检验合格后才能下井使用[ 2 ] , 从而为矿井数字化 、 集 中化、 智能化生产提供可靠 技术保 障。由于受历史 条 件 的限制 , 我 国多数 液 压 支 架 的检 测 技术 与装 备 滞后 于液压支架技术的发展。 目前国内仅有少数液 压支架生产厂家实现 了液压支架试验台计算机集 中 控制 , 多数厂家仍采用眼看手记的落后 方式进行试 验 , 遇到不同高度支架试验时 , 对液压支架试验台的 活 动平 台调 整也 完 全依 靠 人 工完 成 , 若 在夜 间操 作 难度 更 大 , 几 乎 无 法 进行 。这 种 调 高方 式 主要 缺 点 是误 差 较大 、 花 费 时 间较 长 、 效 率 低 , 与 现有 技 术 水 平发展落差较大 。在一些对控制精度要求不高的场 合 , 在多缸同步控制系统中采用 电磁开关 阀[ 3 ] 或 同 步发 动 机 ] 取 得 了较 好 的 应 用效 果 。 随着 电磁 阀 技术 的发展 , 采用 电液 比例 阀进行同步 系统建模仿 真[ 6 1 ] 已成为高精度 同步控制液压系统 主流配置 , 控制 器 的设 计 基 于 P I D 控 制 器 进 行 调 整 [ 1 H ] 。本 文开发了一套液压支架试验台远程多缸 同步控制系 统 , 旨在实现 3 0 0 0 0 k N液压支架试验台升降平 台 及垂直外加载平台四缸 同步实 时控制 , 提高液压支 架的检验效率 , 提升液压支架试验台总体技术水平, 保障煤矿安全 、 高效开采 。 1 液压 支 架试 验 台控 制原 理 以 3 0 0 0 0 k N液压支架试验 台为例, 其控制原 理如 图 1所示 。油泵是 型 号为 A4 VS O1 2 5 E 0 2的 比 例变量柱塞泵 , 其流量为 0 ~1 8 5 L / mi n , 无级调速 , 最大压力为 3 1 . 5 MP a ; 调高油缸 双伸缩 缸径为 3 8 O mm / 2 7 0 mm, 试 验 台调 高 速 度 要 求 小 于 或 等 于 1 2 mm/ s 。 液压支架试验台活动平 台升高时 , 通过 4个 比 例方 向阀向立柱下腔供液 , 活动平台安装 的高精度、 长行程位移传感器实时将各个油缸高度信息输入计 算机 中, 通过智能软件算法实时动态调节各个油缸 的比例方 向阀供电电压 , 即实时调整 比例方 向阀开 口 角 度 , 控 制 4 个 油 缸 同 步 向上 运 动 。 活 动 平 台 下 东北 东南 西南 西北 1 一比例方向阀 ; 2 一液控单向阀 ; 3 一压力 传感器 ; 4 一双伸缩活塞 式油缸 图 1 液压支架 试验台控制原理 Fi g.1 Co nt r ol pr i nc i p l e o f hyd r a u l i c s up po r t t e s t be nc h 降时, 比例方向阀控制信号反向输出, 通过活动平 台 自重实现降柱 , 四缸 同步降柱与同步升柱控制策略 相 同 。 2系统 硬件 设计 3 0 0 0 0 k N 液 压 支架 试 验 台活 动平 台重 2 2 0 t , 调高范围为 2 2 0 0 ~7 6 0 0 mm, 控制室距试验 台布 线大 于 1 5 0 m。针 对 如 此 重 载荷 、 长 行 程 活 动 平 台 的远 程 同步控 制 系统 国 内未见 报道 。为 实现 液压 支 架试 验 台 四缸 同步控 制 , 系 统 必须 具 有 较 高 的实 时 性, 才能实现在活动平 台升 降过程 中实时调整 4个 缸的升降速度 , 防止因同步误差过大而使活动平台 卡死 的情 况 发 生 。为 此 本 文 基 于 P X I 硬 件 平 台 构 建液压支架远程控制系统 。 通过 L a b VI E W Re a l - Ti me模 块 及 R T 系 列 硬 件 , 保 证数 据采 集 和 四缸 同 步控 制 系统 可 靠 确 定 的 实 时 性 能 。下 位 机 设 计 应 用 P X I平 台 , P XI 一 8 1 1 9 R T为嵌入式实时控制器 , 配备机箱为 7槽 3 U P XI 机箱 P X I 一 1 0 4 2 Q, 模拟 量 采集 卡 为 1 8 b i t 分 辨 率 P XI 一 6 2 8 4 , 主要应用 于位移 、 压力 、 温度、 液位信 号采集。为降低采集误差 , 信号输入采用差分输人 并在 S C B 一6 8 A 接线板 上焊接 了差 分低 通滤波 模 块 。模 拟量信 号 输 出采用 1 6 b i t 分辨 率 P X I 一 6 7 0 4 , 控制 比例 方 向阀及 比例 溢 流 阀开 口 , 数 字 量 输 入 输 出采 用 2 4路通 道 间光 隔离 P X I 一6 5 2 8 板 卡 , 实现 对 接近开关信号输人采集及控制阀组信号输出。嵌入 式实 时控 制器 通过 网 口将 数据通 过 光纤 收发 器转 接 至光 纤盒 , 通过 光 纤发送 至控制 室 内 , 控 制室 内光 纤 收发器通过网线将数据转发到对应的监 控主机 , 最 终实现对液压支架试验台远程实时控制 。系统硬件 结 构 如 图 2所 示 。 3 O 工矿 自动 化 2 O 1 8年 第 4 4卷 罔 2系统硬件结构 Fi g. 2 Sy s t e m ha r dwa r e s t r uc t ur e 3系统 软件 设计 系统软 件 开发 采 用 I a b VI E W 完成 , L a b VI E W 的数 据 流模式 编 程使 数据 的走 向更 清 晰 直 观 , 相 对 传统 代 码语 言 , 其 开发 周 期更短 、 投 入更 少 。 3 . 1 下 位 机 软 件 设 计 下 位机 软件 主要 完成 数据 采集 、 数据 处 理 、 网络 通 信等 功 能 。下 位 机 P XI 机箱 中 配 置 的 P X I 嵌 入 式 实 时 控 制 器 中 预 先 安 装 有 NI I a b Vl E w R e a l Ti me 模 块 , 可 为 测 量 、 自动化 和控 制 提供 确 定 可 靠 的实 时 I / O。通 过 以太 网对 高性 能 R T 系列 P X I 控 制器 进行 配 置 和编 程 , 通 过 网 络 发布 实 时应 用 并 进 行远 程 监控 。P X I 嵌 入 式实 时控制 器 经授 权后 可 运 行 I a b VI E w 实 时 代 码 或 I a b Wi n d o ws / C VI实 时代 码 。 为 实 现液 压 支 架 活动 平 台控 制过 程 中压 力 、 位 移等信号的实时采集及显示 , 设计模拟量信号 的采 样周 期 为 5 k Hz . 每 2 0 ms 进 行 1次算 术平 均 值 滤 波 , 将结 果存 入 临时数 组 ; 通信 程序 模块 每 2 0 ms 通 过 TC P / I P协 议 _ 【 二 传 1次 数 据 至上 位 机 , 以满 足 对 系统实 时性 的控 制要 求 。数据 采 集 程 序框 图如 图 3 所示 。 由于 液压 支架 试验 台活动平 台升降 同步控 制 具有时变、 强非线性 、 模 型参数不确定等特点 , 本文 采 用模 糊 P I D控 制算 法 。 3 . 2上 位 机 软 件 t - 位机 软件 运行 在 Wi n d o ws 平 台下 , 主要 实现 与下 位 机 网络通 信 、 数 据 处 理 、 数 据 存 储 和显 示 、 试 验报 告 查询 打 印等功 能 。软件 各 功能 的实 现采 用 了 模块 化 设计 思想 。在 软件 主界 面 中可进 行 活动平 台 调 高档 位设 置 、 实时 数据 显示 、 插拔 销状 态 判断 等 。 液 压 支架 试 验 台距 离控 制 室 较 远 , 为 此设 计 了 视频 监 视系 统 , 主要用 于 液压 支架 现场 试验 监 视 、 泵 图 3 数据采集程序框 图 Fi g .3 Da t a a c qu i s i t i on pr ogr a m bl oc k di a gr a m 站监 视 、 试验 台活 动 平 台 调 高 过程 及 到 位 插 拔 销 轴 位置 监视 , 确保 现 场人 员安 全 。 4性 能 测试 四缸 同步 最 大误差 曲线 如 冈 4所 示 。调 高行程 为 4 5 0 0 mm, 活 动平 台调 高过 程 中四缸最 大 同步误 差为 0 . 9 1 mm, 四缸 最 小 同步 误 差 为 0 . 6 3 mm, 调 节过 程活 动平 台运 行平 稳 , 误 差 小 于 2 mm, 符 合设 计 要 求 。 基 暑 匣 瞪I 4 四缸 步 议 差 曲 线 Fi g .4 Fou r c yl i n de r s yn c hr on ou s e r r or c ur ve 5 结 语 设 计 了液 压 支架 试 验 台 远 程 多 缸 同步 控 制 系 统 , 其 硬件 基 于 P XI 平 台构 建 , 软 件 基 于 I a b VI E W 及 I a b VI E W R T实 时模 块 开 发 。通 过 在 嵌 入 式 实 时控 制器 中运 行 模 糊 P I D 控 制 算 法 实 现 r调 高 油 缸 的同 步 。测 试结 果 表 明 , 该 系统 能 够 对 液 压 支 架 4个 调 高 油缸 同 步过 程 中的 偏 差进 行 实 时 调整 , 同 步误 差指 标 良好 , 可 确保 液 压 支架 试 验 台 活 动 平 台 升 降过 程无蹩 卡 现象 , 延 长 丫 试验 台主 体 结 构 件 寿 命 , 同时 减轻 了检 验人 员 的劳 动强度 , 降 低 ‘ r维护 成 本 , 提高 了 液 压 支 架 试 验 台 的 自动 化 水 平 和 检 验 效率 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] 王 国法.工 作面 支护 与液 压支架 技术 理论体 系 [ J ] . 煤炭学报 , 2 0 1 4 , 3 9 8 1 5 9 3 1 6 0 1 . 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Co u p l i n g l e v e l i n g c o n t r o l l e r d e s i g n o f e l e c t r o h y d r a u l i c mu l t i- a x i s s y n c h r o n o u s l o a d i n g f o r h y d r a u l i c s u p p o r t t e s t r i g [ J ]] .J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y , 2 0 1 I , 3 6 1 0 1 7 6 2 1 7 6 7 . 芮丰 , 李然 , 陈忠强 , 等. 基于 AME S i m 的全功 能强力 液压支架试验 台垂直 加载 系统 的研究 [ J ] . 液压 气动 与密封 , 2 0 1 0 , 3 0 8 4 1 4 4 . RUI Fe ng, LI Ra n, CH EN Zho ng qi a ng, e t a 1 . An a l y s i s o n t h e v e r t i c a l l o a d s y s t e m o f f u l l f u n c t i o n po we r f ul hyd r a u l i c s upp or t t e s t - be d b a s e d on AME S i m[ J ] .Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s , 2 0 1 0 , 3 O 8 4 1 4 4 . H U C H 。 W EN C. M EI W M . S y n c h r o n o u s c o n t r o l t e c h n o l o g y r e s e a r c h o f h y d r a u l i c l i f t i n g s y s t e m[ J ] . 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W ANG J i n l i ,RUI Fe n g,LUO Qi n g i i ,e t a 1 .De s i g n o f t h e s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l s y s t e m i n a 2 O M N h y d r a u l i c s u p p o r t t e s t - b e d [ J ] .C h i n e s e Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s , 2 0 0 8 。 8 1 0 4 O 一 4 3 .